船舶进气系统进气特性的数值研究.pdf

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1、第41卷第5期2012年10月船海工程SHIP＆OCEANENGINEERINGVoll41No．5Oct．2012DOI：10．3963／j．issn．1671．7953．2012．05．033船舶进气系统进气特性的数值研究孙鹏1，钟兢军1，王建华2，胡正2(1．大连海事大学轮机工程学院，辽宁大连116026；2．中国船舶工业集团公司船舶系统工程部，北京100036)摘要：采用三维数值模拟的方法，对某船舶进气系统整体气路进行求解，研究中考虑消音器、竖井、进气蜗壳等结构。采用定常方法研究百叶窗、滤清器、消音器等结构的阻力对进气系统的影

2、响，结果表明所采用的模拟各结构阻力的方法是有效可行的。采用非定常的方法研究外界条件变化对进气系统进气能力的影响，并得到前后压差随测点位置和外界条件的变化规律。关键词：船舶；数值模拟；进气系统；进气特性中图分类号：U662；0354文献标志码：A文章编号：1671-7953(2012)05_0122JD4传统船舶空气动力学研究大多采用风洞实测的方法确定流场速度和压力分布。该方法造价高，耗资大并且在风洞试验中存在着动力相似和几何相似的影响，还要考虑风洞边界条件的影响和湍流、风速、风向、雷诺数等。实验结果要进行换算，还存在测量点有限、采集数

3、据的测量误差等问题，对于紊乱的流动区域难以获得准确的结果Ll引。利用数值模拟的方法研究船舶内外流场的流动状况，对流场参数进行分析，并与传统的研究方法结合，可以有效地改善船舶性能、节约研究资金，提高研究效率。目前，国内开展的进气室内流场研究中，针对进气滤清装置和蜗壳内的流场结构及其优化的研究相对较多p圳，但是考虑进气室整体结构以及消音器、滤清器等气动阻力影响的研究很少。同时，航行中的船体由于其外流场所处的环境的变化、甲板上的各种设施使空气流场中包含了流体分离、脱落涡、循环等诸多复杂现象【5剖。这些流动的复杂性直接导致了进气系统内部流动的

4、不确定性，其最大的影响就是动力系统进气流量的变化。在某些条件下会引起进气流量不足致使动力系统无法正常工作。进气系统进气流量的变化通过滤清器前后压差的变化得以体现，因此往往要在滤收稿日期：2011—11—17修回日期：2012一“一22资助项目：中央高校基本科研业务费专项资金第一作者简介：孙鹏(1979一)，男，博士，副教授研究方向：发动机气动热力学；舰船内外流场空气动力学E-man：sunpeng—KIT@dlmu．edu．cn122清器前后安装压力探测装置，当压差大于一定值就会报警，以便及时采取补救措施，增加进气流量。但是在实际工作

5、中，滤清器前后压差还没有达到临界值，报警器就会报警，给实际工作带来不必要的麻烦。因此研究滤清器前后压差随进口流动参数的变化规律，并探求压差变化与测点位置间的关系是十分必要的。本文用定常数值模拟的方法研究额定进气条件下进气系统的总体性能；在文献[6]的基础上，以周期函数的形式模拟外流场的变化，对进气室内部流场进行非定常研究。重点研究进口气流条件变化对滤清器前后压差的影响，为压差探测装置的安装位置以及敏感度的设置提出建议。1计算模型和边界条件1．1计算模型本文研究的某船舶进气系统由前进气室、后进气室、消音器、竖井和进气蜗壳等结构组成。计算

6、模型由Gambit生成，见图1。其中百叶窗、滤清器和竖井处采用结构化网格，而对于结构较复杂的消音器以及前后进气室则采用非结构化网格。计算域整体网格数约为159．6万。1．2边界条件1．2．1定常计算边界条件气体流经进气系统的过程中，受百叶窗、滤清器等结构的阻力影响很大，造成较大的压力损失。因此，为了尽可能真实地反映进气系统的性能，这些部件的阻力是不能被忽略的。但是在数值模拟中，真实地再现这些部件的具体结构，比如惯性级船舶进气系统进气特性的数值研究——孙鹏，钟兢军，王建华，胡正ZyJ略肯装置声器仆≮‘I∽』卫j：^爿cbJ，1l·】X：

7、c)‘够"卅I时I一，t图l进气系统模型的结构，势必会使计算网格大量增加，增加计算难度和周期。因此，本研究采用Fluent软件包内的Fan边界条件来直接给出这些结构后的压力损失，从而使计算简化。Fan边界是Fluent软件包中的一个模型。该模型假设在流场中存在一个无限小的风扇(见图2)，对其后气流产生作用，使其后气流存在一定的压升。这样一种压力的不连续可以用与速度相关的方程表示，该方程可以是常量，也可以是多项式、分段函数或者自定义的某种函数。本文通过给定一个常量来表示相应的结构阻力。图2F蛳模型作用示意具体边界条件设置见图3。百叶窗进

8、口给定质量进口，进口流量为燃气轮机额定工作流量(本文中所涉及的流量、压力均以与额定流量的比值形式表示)。进气蜗壳出口给定压力出口。百叶窗出口、滤清器出口以及进气蜗壳进口给定Fan边界条件。消音器出口和竖井进口交界按混和平